几种化学储能电池优缺点及性能比较的了解
来源：宝鄂实业
2019-02-24 14:56
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储能锂离子电池是继动力电池之后，在国内迅速发展起来的新兴锂电应用领域。2013年1月，国务院公布的《能源发展“十二五”规划》中提到的大型风光发电站以及分布式可再生能源发电，为实现平滑并网都需要建设配套的储能电站系统，该规划被认为是我国储能锂离子电池发展的元年。
如按太阳能发电/风力发电装机的5%配置储能电池系统计算，“十二五”期间，大型风光储能电站和分布式可再生能源发电项目对储能电池的市场需求量分别为5.1万MW和5000MW。觊觎储能电池市场未来诱人的前景，国内锂电厂家纷纷将储能电池作为企业发展的战略方向，大力备战储能市场。
储能电池要求安全性高、寿命长、价格低、能量转换效率高、易维护以及环境友好等诸多特点。当前已经开展商业化储能应用的二次电池主要有铅酸电池（包括铅碳电池）、锂离子电池、液流电池和高温钠电池（包括钠硫电池和ZEBRA电池）等，对比这几种二次电池的优缺点，当前并不存在各项指标要求都能满足的“理想电池”。
对于储能用锂离子电池而言，相对于层状正极材料和尖晶石正极材料，目前只有采用橄榄石结构正极材料有可能满足其大部分技术指标。因此笔者个人认为，磷酸盐正极材料应该是储能锂离子电池的首选。
橄榄石结构的磷酸盐正极材料系列中，除了LiFePO4（LFP），还有LiMnPO4（LMP，4.1V），LiCoPO4（LCP，4.8V），LiNiPO4（LNP，5.2V）和Li3V2(PO4)3（LVP，4.0V，3.7V，3.6V）以及一些相互形成的固溶体材料，图1比较了这几种正极材料的放电曲线。
虽然LCP和LNP的理论容量和LFP比较接近，但由于它们的工作电压太高超出了普通电解液的电化学稳定窗口，并且镍和钴的成本也比较贵，所以LCP和LNP这两种材料实际上并没有产业化意义。钒有剧毒成本较高而且电化学性能也并不是非常突出，所以LVP不可能应用于商品锂离子电池。
所以，目前有产业化前景的橄榄石结构正极材料主要是LFP，LMP和两者的固溶体LMFP。 这里，笔者将简要介绍这三种正极材料当前的产业化现状。
1. 磷酸铁锂（LFP）
在“动力型锂离子电池产业化论叙I”一文中，笔者详细介绍了LFP的生产工艺和产业化现状。相对于动力电池而言，储能电池是将安全性、循环性和成本放在第一位，并不苛求很好的倍率和温度性能，因此储能用途对LFP材料的指标要求跟动力电池有较大的不同。
比如，对于LFP动力电池而言纳米化是改善LFP倍率性能的最主要措施，但是纳米化对电极涂布完好率、电池自放电、高温存储和浮充性能以及长期循环寿命都有较大的负面影响。这也就是说动力电池普遍采用的LFP纳米化路线对于储能电池是不太适合的，正极材料厂家必须要有针对性地开发出适用于储能用途的LFP材料。
一般而言，适用于储能用途的LFP材料，包碳后粒径在亚微米/数微米左右，最好具有球形形貌并且粒径分布比较窄，这样既可以改善正极极片的涂布性能又可以降低电极极化，从而对提高电芯的一致性以及长期循环寿命有益。所以，储能用LFP的生产跟动力型LFP具有较大不同，需要选择合适的材料合成路线和生产工艺。一、 铅酸电池
主要优点：1、原料易得，价格相对低廉；2、高倍率放电性能良好；3、温度性能良好，可在－40～＋60℃的环境下工作；4、适合于浮充电使用，使用寿命长，无记忆效应；5、废旧电池容易回收，有利于保护环境。
主要缺点：1、比能量低，一般30～40Wh／kg；2、使用寿命不及Cd／Ni电池；3、制造过程容易污染环境，必须配备三废处理设备。
二、 镍氢电池
主要优点：1、与铅酸电池比，能量密度有大幅度提高，重量能量密度65Wh／kg，体积能量密度都有所提高200Wh／L；2、功率密度高，可大电流充放电；3、低温放电特性好；4、循环寿命（提高到1000次）；5、环保无污染；6、技术比较锂离子电池成熟。
主要缺点：1、正常工作温度范围－15～40℃，高温性能较差；2、工作电压低，工作电压范围1．0～1．4V；3、价格比铅酸电池、镍氢电池贵，但是性能比锂离子电池差。
三、锂离子电池
主要优点：1、比能量高；2、电压平台高；3、循环性能好； 4、无记忆效应；5、环保，无污染；目前是最好潜力的电动汽车动力电池之一。
四、超级电容
主要优点：1、功率密度高；2、充电时间短。
主要缺点：能量密度低，仅1－10Wh／kg，超级电容续航里程太短，不能作为电动汽车主流电源。
五、燃料电池
主要优点：1、比能量高，汽车行驶里程长；2、功率密度高，可大电流充放电；3、环保，无污染。
主要缺点：1、系统复杂，技术成熟度差；2、氢气供应系统建设滞后；3、对空气中二氧化硫等有很高要求。
由于国内空气污染严重，在国内的燃料电池车寿命较短。
六、钠硫电池
优势：1、高比能量（理论760wh／kg；实际390wh／kg）；2、高功率（放电电流密度可达200～300mA／cm2）；3、充电速度快（充满30min）；4、长寿命（15年；或2500～4500次）；5、无污染，可回收（Na，S回收率近100％）；6、无自放电现象，能量转化率高；
不足：1、工作温度高，其工作温度在300～350度，电池工作时需要一定的加热保温，启动慢；2、价格昂贵，万元／每度； 3、安全性差。
七、液流电池（钒电池）
优点：1、安全、可深度放电：2、规模大，储罐尺寸不限；3、有很大的充放电速率； 4、寿命长，高可靠性；5、无排放，噪音小；6、充放电切换快，只需0．02秒；7、选址不受地域限制。
缺点：1、正极、负极电解液交叉污染；2、有的要用价贵的离子交换膜；3、两份溶液体积大，比能量低；4、能量转换效率不高。
八、锂空气电池
致命缺陷： 固体反应生成物氧化锂（Li2O）会在正极堆积，使电解液与空气的接触被阻断，从而导致放电停止。科学家认为，锂空气电池的性能是锂离子电池的10倍，可以提供与汽油同等的能量。锂空气电池从空气中吸收氧气充电，因此这种电池可以更小、更轻。全球不少实验室都在研究这种技术，但如果没有重大突破，要想实现商用可能还需要10年。
九、锂硫电池（锂硫电池是一类极具发展前景的高容量储能体系）
优点：1、能量密度高，理论能量密度可达2600Wh／kg；2、原材料成本低；3、能源消耗少；4、低毒。
虽然锂硫电池研究已经经历了几十年，并且在近10年时间取得了许多成果，但离实际应用还有不小距离。
